大直径混凝土管片气泡的防治研究.pdf

2 0 1 0年第 3期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NC RE T E AND C E ME NT P R0DUC T S 2 01 0 No 3 J u n e 大直径混凝土管片气泡的防治研究 姜 俊 ， 王晓栋 ， 孔德玉 ， 潘凤 英 ， 徐 勇 ( 1 杭州建工建材有限公司， 3 1 1 1 0 7 ； 2 浙江工业大学建工学院， 杭州 3 1 0 0 1 4 ) 摘要 ： 混凝土管片是盾构 隧道的主要结构构件 ， 也是隧道防水 、 防火和耐久等综合性 能的保证 ， 因此 ， 对管片整体性能有着 极高要求 。 但大直径混凝土管 片在生产中易出现较多气泡 ， 从而易形成渗漏通道 ， 影响管片的耐久性 。 本文从混凝土原材料 、 配合 比设计 、 模具 、 脱模剂 、 振捣工艺等 方面人手 ， 试验摸索 出减少管片气泡 的一套方法， 在生产实践中收到了较好的效果 。 关键词： 大直径 ； 盾构； 混凝土 ； 管片 ； 气 泡 Abs t r a c t ：C o n c r e t e s e g me n t s a r e t h e ma i n s t r u c t u r e s o f s hi e l d t u n n e 1 t h e y a l e a l s o t h e c o mp reh e n s i v e p e rfo r ma n c e g u a r a n t e e s o f wa t e r p r o o f ,fir e pr o o f a n d du r a b i l i t y T h e r e f o r e ，t h e o v e r a l l p e r f o rm a n c e o f t h e s e g me n t h a s a h i g h req u i r me n t Bu t t h e l a r g e - d i a me t e r c o n c r e t e s e gm e n t i n t h e p r o d u c t i o n s o me t i me s h a p p e n s mo r e b u b b l e， t h u s i t i s e a s y t o f o r m l e age c h ann e l s ， wh i c h a f f e c t s t h e d u r ab i l i t y I n t h i s p a p e r ,c o n c r e t e ma t e r i als ，mi x d e s i g n ，mo u l d ，mo l d r e l e a s e a g e n t s ，v i b r a t i o n t e c h n o l o g y an d o t h e r asp e c t s a t t e mp t t o r e d u c e t h e seg me n t b u b b l e ，as a r e s u l t ， g o o d r e s u l t s are g o t t e n i n the p r a c t i c e p r o d u c t i o n Kwy wo r d s ：L a r g e d i a me t e r ； s h i e l d ； c o n c r e t e ； s e gm e n t ；b u b b l e 中图分类号： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7f 2 0 1 0 ) 0 3 3 2 0 3 0前 言 盾构法施 工是城市软土地层 中修建地下隧道 的主 要方法 ，其 中混凝上管片不仅是盾构隧道的主要结构 构件 ， 也是 隧道 防水 、 防火和耐久等综合性 能的保证 ， 因此 ，对管片强度、刚度及耐久性等方 面均有极高要 求 。 防水工作是地下隧道工程的一个重要环节 ， 隧道工 程通过管片 自防水 、 壁外注浆 、 止水带防水 、 嵌缝 防水 等环节进行防水处理 。 而无论哪种防水方式 ， 都建立在 管片具备 良好的抗渗性能上 ， 不仅对管片 的密实度 、 耐 久性要求高， 且对管片表面气泡 的要求也非常高 。 庆春路过江隧道横穿钱塘江 ，为杭州钱塘江第一 条隧道 。管片每环 九片， 外径 l 1 3 m， 内径 l O 3 m， 厚 度 0 5 m， 环宽 2 m， 混凝土强度等级 C 5 0 ， 抗渗 等级 P 1 2 ， 每 环管片混凝土用量 3 4 m ， 采用通用楔形环错缝拼装。 表 1 为庆春路大直径管片与某地铁隧道管 片两种 隧道管片尺寸 、 外露面面积 的比较 。由表 1 可见 ， 庆春 路 管片外弧面 与侧面面积是 某地铁工程 的 2 6倍 ， 因 此更容易形成气泡和空洞 。 在管 片生产初期 ， 管片气泡 较多 ， 业主提出改进要求后 ， 我 们着手对管片气泡现象 进行成 因分析 、 防治研究 。 1 气泡的危害 表 l 两种隧道项 目管 片尺寸 、 外露面面积 比较 注 ： 总面积为管片四个侧面与外弧面面积之和 ， 不包括 内弧面面积。 基金项 目： 杭州 市科技计划项 目( 2 o 0 7 O 7 3 3 B 2 O ) 。 一 3 2一 外观 ： 严重影 响了管片的外观。 强度 ： 气泡 的存 在 ， 降低 了混凝土 的致 密性 ， 管片 混凝土内部留下气泡( 孔隙) 越多 ， 强度下降越多 ， 混凝 土强度与胶空 比成正比关系 。 在胶凝材料用量一定后 ，孔 隙率 的多少决定 了强 度的低高 。因此 ， 若管片结构 内气泡多 ， 管片整体强度 将 下降。 耐久性 ： 气泡 的存在 ， 降低 了混凝土 的致 密性 ， 管 片表面气 泡的存在 ，等于减少 了钢筋保护层 的有效厚 度 ， 降低 了混凝土管片的耐腐蚀性 能 ， 在地下水丰富的 隧道中 ， 管片耐久性受到威胁。 渗水通道 ： 管片侧 面存在较多 的气泡时 ， 即使使用 止水带防水 ，但 凹陷的气泡还是容易形 成连通的渗漏 通道 ，降低 了管片的防水性能 ，靠近内弧面的侧面气 泡 ， 会导致嵌缝 防水效果下 降。 2管片表面气 泡形成的原 因 当管片结构气泡在微米级别时 ，对管片的耐久性 和抗腐蚀能力是有益 的， 当管片气泡大于 以上标准时 ， 会降低管片强度 和耐久性。 我们这里探讨的是 l m m 以 上肉眼可见的气泡 。 生产实践表明 ， 以下 因素是导致产 生气泡的主要原 因。 2 1 原材料因素 水泥品质 ：一些水泥厂为提高水泥早强 、降低成 本 ， 在熟料粉磨时加入带有木 钙 、 二乙二醇 、 丙二醇 等 的混杂型助磨剂 ， 这些助磨剂带有引气效果 ， 拌制混凝 土后 引入的气泡不均匀且 偏大。 减水剂品质 ：聚羧酸 系减水剂在生产中需要先用 消泡剂来消泡 ， 然后掺入 引气剂 以引入微气泡 ， 优质的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姜俊 ， 王晓栋 ， 孔德玉， 等 大直径混凝土管片气泡的防治研究 聚羧酸 引气剂在混凝土 中能引入大量均匀分 布 、稳定 而封 闭的微小气泡 ， 但如果减水剂厂家为节约 成本 ， 使 用廉 价低质 的引气 剂 ( 如松 香类 ) ， 则 会在 混凝土 管片 中形成较大 的气泡 ， 因这种气泡表面能较低 ， 容 易形成 联通性大气泡 ， 导致管片气泡过多 。 或者外加剂 中有不 合理的增稠组份 ， 会导致 混凝 土料过于粘稠 ， 振捣时气 泡难 以排出 。 粗集料颗粒形状 ：没有经 过整形的粗集料棱角过 多 、针 片状颗粒含量过 多 ，会使混凝 土中气泡难 以排 出 ， 导致管片内滞 留气泡 过多。 细集 料颗粒形状 ： 天然砂资 源越来越少 ， 一些管片 工程会采用人工砂或混合砂替代 ；这些砂 如果 没有充 分 整形 ， 其颗粒形 状较差 时 ， 气泡难 以排 出 ， 且管 片外 弧 面收水时会造成较多 的砂眼 。 2 2 混凝土 配合 比因素 外加剂掺量 ： 若为 了降低水灰 比， 过于提高减水 剂 的掺量 ， 所 产生气泡 的状况也将 随之 改变 ， 如果过振 ， 将会使微气泡联通组合成大气泡 。 砂率 ： 粗集 料过多 ， 细集 料偏少 ， 如果 细集 料及胶 凝材料不足以填充粗集 料之问的空隙 ，会导致管片混 凝土不密实 ， 形成空隙 ； 粗集料偏少 ， 细集料偏多 ， 会导 致混凝 土粘稠 ， 气 泡难 以排 出。 水灰 比 ： 混凝 土水灰 比过小 ， 混凝土料 粘稠 ， 难 以 振捣 、 气泡 难以排 出； 水 灰 比过 大 ， 搅拌所 用 的水 达到 饱 和后 ， 多余 的水 份形成 自由水 ， 最后转换 成气泡 ， 混 凝 土产生 的气泡增多 。 搅拌时 间： 管 片混凝 土水灰 比较低 ， 用水 量较少 ， 如果搅拌 时间过短会产生搅拌不匀现 象 ，外 加剂多 的 部 分产生气泡多 ， 外加剂少 的部分会 出现坍 落度小 、 难 以振捣 的现象 。 坍落度控制 ： 混凝土坍落度偏大 时 ， 自由水相对 较 多 ， 管片 因为 曲面特征 ， 混 凝土入模 后不能 充分振 捣 ， 管 片内大量气泡无法 排 出 ； 若 坍落度 过小 ， 难 以振 捣 ， 气泡也难 以排 出。 2 3 生产工 艺因素 脱模剂 ： 管片模具一般使用水性脱模剂 ， 仍具有 一 定粘性 ，若稀释 比例过低脱模剂仍会对气泡有 吸附作 用 ， 但稀 释 比例过 高 ， 混凝 土会 粘模 ， 气泡 均无法顺 利 随机械振捣而逐步上升 、 排 出。 振捣情况： 管片能否密 实 、 气泡能 否排 出与振捣 有 密切关系 。 表 2所列为混凝 土正常振 捣及欠 振 、 漏振 和 超振 的“ 三振” 现象表现 。国内混凝土管片 的浇捣 大多 采用人工振捣方式施工 ， 由于工人队伍 的建立 、 操作 的 稳定性和技术熟练程度的差异 ，对混凝土管 片气泡 的 多少存 在很大差别。 模 具保养 ：混凝 土振捣 时振捣棒 难免会触碰到模 表 2混凝 土正常振捣及 “ 三振 ” 表现 正 常 振 捣 蔓 慧的 问 长 薹 欠振： 振捣 时间短 漏振 ： 未振 捣到 振捣时间过 短 、 振捣 间距过大 、 振捣随 意性 大漏振 ， 集料颗粒还 没有靠 拢紧密 ，振动能不足 以将包裹的 空气 的水泥浆 排出 ，管片混凝土会出现不密实或存 在不规则大气泡 ， 气泡多 ， 缺陷多 具 ， 管片钢筋笼放 置时偶尔 也会碰撞 模具 ， 手 孔 、 螺栓 孔加 强筋焊接 时也 难免发 生 电弧损 伤管 片模 具表面 ， 以及 管片模具正常磨损等等 ，均会造成模具 内表 面粗 糙 ， 使得排气不畅气泡残 留过多 。 3对管片表面气泡 的防治 对管片气泡产生原因进行 分析后 ，就可以采取有 针对性措施来减少气泡的产生。 水泥 ： 选用有品质保 证的水 泥。 庆春路管片一开始 就选用 了华 东地 区水泥 品质 较好 的 5 2 5 P 水泥 ， 避 免了小水泥厂掺加过多的掺合料 和助磨剂 的问题 。 减水剂 ： 使 用杭州产 HG P C A 6 0 0聚羧酸减水剂 ， 经过引气 剂 比对试 验 ， 最终选择 了三萜 皂甙类 引气剂 ， 该类引气剂与聚羧酸相容性适 应性 超过松香类 、十二 烷 基类 引气剂 ， 引入微气泡小 、 稳定 ， 成品效果明显 。 集料 ： 粗集料选择 了带 圆磨整形机 的生产线 ， 虽然 增 加了采 购价格 ， 但集料颗粒 圆润 ， 针 片状颗 粒含量从 原 来的 1 2 降低到 5 。细集料 中起润滑作 用的主要 为 0 3 5 mm、 0 6 3 0 mm 两种颗粒 ， 杭州 市场上几种不 同 的细集料 品种及对 管片气泡形成 的影 响见表 3 ，最终 我们选择 了江西赣 江天然河砂 ，细度模 数 2 6 3 0 ， 实 际使用 中 ， 对气泡 的减少有着非常 明显 的作用。 配合 比： 表 4为不 同水灰 比对管 片气 泡形成的影 表 3 细集料 品种对管片气泡形成的影响 表 4 水灰 比对 管片气泡形成 的影响 水灰 比 效 果 i0 3 5 强度低 ， 振捣后气泡排出快 ， 施工难度低 0 31 一 O 3 4 强度良好 ， 振捣后气汇排出速度一般 O 3 0 强度过高 ， 料粘稠板结难以振捣 ， 空洞 、 气泡多 一 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 3期 响 ， 可见 当水灰 比在 0 3 O 0 3 5之 间时 ， 不仅具有较好 的强度 ， 且气泡含量较少 ， 最终水灰 比定确定为 0 3 3 。 坍落度控制 ：在混凝 土生产搅拌楼上安装 高精度 的搅拌机主机 电流 、 电压表 ， 从 电流电压上 侧面反 映搅 拌机 内混凝土的坍落度 ，在搅拌机主机壳 上开挖一个 观察孔并安装 防护网 ，方便工人直接观察搅拌机 内的 混凝土。 对堆场集料安装 防雨棚 ， 确保集料含水率 波动 不受天气影 响， 同时 ， 提前做好材料含水率和水泥外加 剂适应性变动调整的工作 ， 将坍落度波动减少到最低 。 搅拌 时间 ： 经 过近 2 0次对 比试验 ， 我们 总结出水 灰 比为 0 3 3的管片混 凝土搅拌 时间与坍 落度 关 系曲 线 ， 见图 1 。由图 1 可见 ， 搅拌 时间过短 ， 外加剂与水泥 接触不完全 ， 坍落度过小 ， 难 以振捣 ， 管片成品气泡多 ； 搅拌时间过长 ， 坍落度增加不 明显 ， 影响生产进度 ， 因 此 我们选择 了9 0 s作为标准搅拌时间。 5 4 3 2 蜜 l O U oU 州 I 2 0 1 50 I 8 0 21 0 搅拌 时间 s 图 1 混凝土搅拌时间与坍落度 的关系 脱模剂 ：水性脱模剂厂家资料一般推荐掺兑水 的 比例为 1 ： 5 ， 该掺兑 比例为理想状态下掺兑 比例 ， 生产 中还需要根据实际情况进行不同 比例掺兑试用摸索 出 最佳掺兑比例 ， 这样不仅管 片表面气泡少 ， 且每平方脱 模剂成本低 ， 修补量低 ， 可达到整体最佳效益。表 5为 不 同掺兑 比例对管片表 面质量 和气泡 的影 响 ，由表 5 可见 ， 掺兑 比例为 1 ： 3时 ， 管 片表面性能 良好 ， 气泡 数 量较少 ， 实际生产 中我们搀兑比例在 1 ： 3 0 1 ： 3 5 。 表 5不 同掺 兑 比例 对 管 片表 面 质量 、 气 泡 的 影响 嚣 效 果 1 ： 1 粘稠 ， 气泡多 ， 脱模方便 ， 管片表面被污染 ， 成本高 1 ： 2 粘稠， 气泡稍少 ， 脱模方便 ， 管片表 面轻微被污染 l ： 3 不粘稠 ， 气泡少， 管片表面光洁， 成本低 1 ： 4 气泡少 ， 管片有粘模现象 ， 需增加修补 1 ： 5 气泡多 ， 管片有较多粘模现象， 修补量大 ， 综合成本高 振捣 ： 在管 片振 捣中 ， 延长振捣 时间 ， 可 以提高振 捣效果 ， 但不能增加振捣 范围。 在振捣范 围内的气泡才 能排 出。因此 ， 要选择合理 的振捣半径 ， 震动波 随振捣 半径的延长而减弱 ，振捣有效 范围还跟混凝土 的粘稠 度有关 ， 对于干硬性 的管片混凝 土 ， 震动能衰减 大 ， 有 效距 离短 。 3 4 任何完美的振捣方案 ， 都需要工人去执行。因此 ， 要重视对管片浇筑工人的培训 ， 提高其业务能力。 综合以上因素 ，我们根据管片水灰 比及坍落度等 情况 ， 摸索 、 制定 了管片振捣参数 ： 混凝 土分两层播料 ， 分两次从模具环 内两侧向中间推导型振捣 ，模具环 内 两侧采用斜 向振捣 ， 中间采用垂直振捣 ， 每个 点振捣时 间 2 0 2 5 s ， 振捣 半径 3 0 c m， 两次振捣 中心间距 5 0 e m， 2 m宽管片每行 4次振捣 ， 整片振捣时移动方式为行列 式移动。 振捣要求快插慢拔 ， 上下抽动 ， 逐点移动 ， 避免 漏振 ， 振捣 以表面泛浆作为参考【l l 。基 本杜绝 了表 2所 列的“ 三振 ” 现象 ， 大大减少 了管片侧 面气泡数量 ， 效果 非常明显 。 模具保养 ： 管片模具有磨损后不利于气泡排出 ， 因 此需要适时打磨模具 ， 减少气泡 吸附 ， 以利气泡排 出。 我们在管片生产期 间使用 1 2 0 #木砂纸粗磨 2 4 0# 木砂 纸细磨的方 式对有局部磨损 的模具开展了三次局部精 细打磨 。 4 减 少气泡的形成 本工程从原材料 、 配合 比、 拌合 、 浇注工艺 多环节 提升管理水平着手 ， 使得管片侧面气泡数量逐渐下降。 从 2 0 0 9年 2月起 ， 我们对管片表面三种类型 的气泡平 均数 量进行 了逐月抽查 ， 结果见 图 2 。由图 2可见 ， 管 片侧 面气泡数量呈现逐月下降趋势 ，尤其是综合采用 改善细集料选型 、 坍落度严格控制 、 振捣工艺调整及振 捣 过程加强管理 四项 措施 后 ， 即 2 0 0 9年 4月起 ， 管片 外弧面气泡基本杜绝 ， 侧面气泡数量也大幅降低 。 7 8 。 0 6 o ： 2月3月4月5月 6月7月8月9月 l O月 1 1月 l 2月 图 2 管片侧面气泡逐月抽查数量统计 5结论 通过分析管 片气 泡产生原 因并采取相应措 施后 ， 大幅度减少 了管片气 泡。实践证 明所采取 的措施值得 借鉴。 参考文献 ： 1 张应立 混凝土全过程质量管理手册 M】 北京 ： 人 民交通出版社， 2 0 0 2 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 1 1 8 作者简介 ： 姜俊( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 副总工程师。 通讯地址 ： 杭州市余杭区新桥村大运河工业城福旺路 7号 联 系电 话 ： 1 3 5 6 7 1 5 6 7 2 9 E-mail ： x 51 v t i n t i n 1 63 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m